Спектры и угловые распределения атмосферных нейтрино и мюонов от распада очарованных частиц

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Выполнен новый расчет атмосферных лептонов — мюонных нейтрино и мюонов от распадов очарованных частиц (D±, D0, D0, Λс) — для той же модели адронного каскада, которая использовалась в расчетах характеристик атмосферных лептонов от распадов π- и K-мезонов. Построены спектральные зенитно-угловые распределения (D, Λс)-лептонов и (π, K)-лептонов. Найдены интервалы кросс-энергии, в которых (D, Λс)-лептоны дают вклад, сопоставимый с потоками (π, K)-мюонов и нейтрино. Показана возможность обнаружения (D, Λс)-нейтрино на эксперименте при энергиях много ниже кросс-энергии.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Нейтрино высоких энергий от распадов мезонов и барионов, рождающихся в адронных взаимодействиях космических лучей (КЛ) с атмосферой Земли, образуют неустранимый фон в задаче детектирования нейтрино от удаленных астрофизических источников. Атмосферные мюоны являются важным объектом исследования hA-взаимодействий при высоких энергиях и инструментом изучения характеристик КЛ. Расчет энергетического спектра и зенитно-углового распределения атмосферных мюонов и нейтрино как фона актуален для обработки данных нейтринных телескопов Baikal-GVD [1, 2], IceCube [3], ANTARES [4] и KM3NeT [5].

Потоки атмосферных нейтрино и мюонов включают две компоненты, различающиеся спектром и зенитно-угловым распределением. Анизотропная составляющая (от распадов π- и K-мезонов) характеризуется более мягким спектром — это (π, K)-нейтрино и мюоны (conventional). Квазиизотропный поток лептонов формируется при высоких энергиях (≥ 100 ТэВ) в результате рождения и распада очарованных адронов (D±, D0, D0, Λс), он имеет более жесткий спектр — это (D, Λс)-лептоны (prompt). Несмотря на многолетние усилия эта компонента все еще не обнаружена экспериментально.

На эксперименте (D, Λс)-лептоны пытаются обнаружить по спектральной характеристике, ориентируясь на возможную область значений кросс-энергии вблизи тех, что предсказываются в расчетах. В настоящей работе показана перспективная возможность поиска (D, Λс)-компоненты, основанная на анализе зенитно-углового усиления атмосферных лептонов.

Использована следующая схема исследования: 1) расчет сечений рождения очарованных частиц в hA-соударениях в рамках обновленной версии модели кварк-глюонных струн [6, 7], параметры которой были изменены [8] с учетом данных экспериментов при высоких энергиях; 2) расчет дифференциальных спектров атмосферных лептонов для отдельных зенитных углов; 3) расчет зенитно-углового усиления как функции энергии для (π, Κ)-компоненты (спектральное зенитно-угловое распределение); 4) расчет основных характеристик атмосферных (D, Λс)-лептонов, в том числе вычисление кросс-энергии, вблизи которой поток (D, Λс)-нейтрино становится сравнимым по величине с потоком (π, K)-нейтрино (кросс-энергия).

СПЕКТРЫ АТМОСФЕРНЫХ ЛЕПТОНОВ OТ (π, K)-РАСПАДОВ

В работе используется расчет потоков атмосферных мюонов и мюонных нейтрино от (π, K)-распадов [9—17], выполненный на основе оригинального метода решения уравнений атмосферного адронного каскада при высоких энергиях (метод Z(E, h)-функций) [9—12] для модели hA-взаимодействий QGSJET-II-03 [18—20] и модели Кимеля—Мохова (КМ) [21, 22] с использованием параметризации спектра космических лучей H3a [23].

Предсказания потока (π, K)-нейтрино для КМ и QGSJET-II-03 оказались [16, 17] близкими и хорошо согласующимися с экспериментальными данными, в том числе и с недавними измерениями ANTARES [4] и IceCube [24, 25].

ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРА АТМОСФЕРНЫХ (D, Λс)-ЛЕПТОНОВ

Лептоны от распадов очарованных частиц рассчитаны в рамках того же метода Z(E, h)-функций, что и (π, Κ)-компонента. Все представленные в работе результаты получены для спектра КЛ Хилласа—Гайссера H3a.

Расчет сечений рождения очарованных частиц был выполнен в рамках модели кварк-глюонных струн (МКГС или QGSM) [6, 7]. МКГС — непертурбативный подход, описывающий мягкие адронные процессы. Для расчета сечений рождения чарма существенную роль играет интерсепт сс-траектории Редже αψ (0) . Экспериментальные данные о рождении очарованных частиц последних лет указывают на предпочтительность линейной сс-траектории Редже с αψ (0) = –2.2, которая учитывает эффекты за рамками теории возмущений (ТВ). Нелинейную траекторию Редже и интерсепт αψ (0) = 0 получают из расчетов в рамках ТВ КХД, однако надежность расчетов в первых порядках ТВ для сравнительно небольших передач энергии невысока. Неопределенность интерсепта влияет на потоки (D, Λс)-нейтрино: расчет с αψ (0) = –2.2 в 2 раза меньше потока для αψ (0) = 0 (ширина полосы на рис. 1а).

 

Рис. 1. Дифференциальные спектры атмосферных лептонов вблизи вертикали: широкая полоса (а) — спектр мюонных (D, Λс)-нейтрино в модели QGSM + H3a; линии вдоль полосы — результаты расчетов co спектром H3a других моделей рождения очарованных частиц; две кривые, пересекающие широкую полосу, — спектры (π, Κ)-нейтрино для моделей КМ и QGSJET II-03; узкие полосы — (D, Λс)-нейтрино (б) и мюоны (в), пересекающие линии (π, Κ)-лептонов. Спектры (π, Κ)-лептонов рассчитаны для двух моделей адрон-ядерных взаимодействий — КМ + H3a (сплошная линия) и QGSJET II-03 + H3a (штриховая линия)

 

Параметр МКГС а1 обеспечивает различие между лидирующей и нелидирующей фрагментацией (усиливает фрагментацию валентных кварков). Нет ясных аргументов для выбора значения и этого параметра, и разные авторы используют различные значения, среди которых выделяются два крайних: a1 = 30 [6] и a1 = 2 [26]. Неопределенность, вносимая в потоки (D, Λс)-лептонов параметром а1, составляет ~10—20% (узкая полоса на рис. 1б и 1в).

Дифференциальный спектр (D, Λс)-нейтрино для модели QGSM показан на рис. 1а (широкая полоса) вместе со спектрами (π, K)-нейтрино. Здесь же представлены спектры, рассчитанные другими авторами в рамках иных моделей рождения чарма: SIBYLL 2.3c [27], BEJKRSS [28], GRRST [29], PROSA [30, 31]. На рис. 1б и 1в показано сравнение вертикальных спектров (D, Λс)-лептонов в QGSM (узкая полоса) со спектрами (π,Κ)-лептонов. Кросс-энергия является полезной, но не единственной меткой, позволяющей на эксперименте обнаружить превышение сигнала над ожидаемым от атмосферных (π, K)-нейтрино. Кросс-энергия нейтрино с учетом полосы неопределенности: 550—675 ТэВ (QGSJET II-03) и 0.95—1.15 ПэВ (КМ). Для мюонов — 2.5—3.5 ПэВ (QGSJET II-03) и 6—8 ПэВ (КМ).

На рис. 2 представлено отношение дифференциальных спектров лептонов для двух крайних значений зенитного угла — вблизи горизонтали и вертикали. Это спектральное зенитно-угловое усиление (анизотропия потока атмосферных лептонов), которое можно вычислить для любого угла. Отдельно показаны усиления (D, Λс)-лептонов и (π, Κ)-компоненты, а также их суммарного спектра (КМ + QGSM, QGSJET II-03 + QGSM). Анизотропия потоков (D, Λс)-лептонов вычислена для параметров αΨ(0) = –2.2 и a1 = 2.

 

Рис. 2. Спектральное зенитно-угловое усиление дифференциальных потоков атмосферных нейтрино (а) и мюонов (б), рассчитанное для зенитного угла θ ≈ 84.26°: 1 — (π, K)-лептоны (КМ); 2 — суммарный спектр КМ + QGSM; 3 — (D, Λс)-лептоны (QGSM); панели внизу (а, б) — (π, K)-лептоны с лучшим разрешением, на которых видна немонотонность анизотропии, отражающая последовательное “включение” и насыщение доминирующих источников — от вкладов двухчастичных распадов заряженных пионов и каонов, к трехчастичным полулептонным распадам заряженных и нейтральных каонов. Это приводит к широкому распределению с “горбами”; 2-й горб (мюоны) как раз отвечает редкому Гi/Г ≃ 4 × 10–4) полулептонному распаду короткоживущего нейтрального каона KS (время жизни 0.9 × 10–10 с). Влияние модели адронного каскада на спектральное зенитно-угловое усиление потоков атмосферных нейтрино (в) и мюонов (г): 1 — (π, K)-лептоны для модели КМ; 2 — (π, K)-лептоны для модели QGSJET II-03; 3 — суммарный спектр КМ + QGSM; 4 — то же, что и 3, но для модели QGSJET II-03 + QGSM

 

Влияние модели адронного каскада на анизотропию потоков атмосферных лептонов показано на рис. 2в и 2г. Различие усиления (π, Κ)-нейтрино (и мюонов) для моделей КМ и QGSJET II-03 не превышает 5%, тогда как (π, Κ)-потоки для этих моделей отличаются до ~ 50% (см. рис. 1б и 1в).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, выполнен новый расчет и новый анализ (D, Λс)-компоненты атмосферных лептонов. Найдены интервалы энергий, в которых (D, Λс)-нейтрино и мюоны дают вклад в потоки, сопоставимый с вкладом (π, K)-нейтрино и мюонов.

Новый анализ позволил увидеть интересное поведение анизотропии потока нейтрино с ростом энергии. В области энергий, на порядок меньших кросс-энергии дифференциальных спектров, кривая анизотропии потока нейтрино заметно деформируется вкладом дополнительного источника —нейтрино от распадов очарованных адронов. При отсутствии явных экспериментальных доказательств существования (D, Λс)-компоненты появление максимума анизотропии атмосферных нейтрино в измерениях будет фактом, свидетельствующим об экспериментальном обнаружении атмосферных (D, Λс)-нейтрино. Резко изменяющаяся с ростом энергии анизотропия на фоне ожидавшегося для (π, Κ)-компоненты — фактор, который при достаточной точности экспериментальных измерений спектра и углового распределения атмосферных нейтрино может быть использован для обработки данных нейтринных экспериментов.

Работа выполнена на УНУ “Астрофизический комплекс МГУ—ИГУ”, поддержана Минобрнауки России (соглашение EB-075-15-2021-675, гос. задание FZZE-2022-0001, FZZE-2020-0017, FZZE-2020-0024).

×

Об авторах

М. Н. Сороковиков

Объединенный институт ядерных исследований

Автор, ответственный за переписку.
Email: sorokovikov@jinr.ru
Россия, Дубна

А. Д. Морозова

Объединенный институт ядерных исследований; Иркутский государственный университет

Email: sorokovikov@jinr.ru
Россия, Дубна; Иркутск

Т. С. Синеговская

Иркутский государственный университет путей сообщения

Email: sorokovikov@jinr.ru
Россия, Иркутск

С. И. Синеговский

Объединенный институт ядерных исследований; Иркутский государственный университет

Email: sorokovikov@jinr.ru
Россия, Дубна; Иркутск

Список литературы

  1. Аврорин А.В., Аврорин А.Д., Айнутдинов В.М. и др. (Коллаборация Baikal-GVD) // ЖЭТФ. 2022. Т. 161. № 4. С. 476; Avrorin A.V., Avrorin A.D., Aynutdinov V.M. et al. (Baikal-GVD Collaboration) // JETP. 2022. V. 134. No. 4. P. 399.
  2. Аврорин А.В., Аврорин А.Д., Айнутдинов В.М. и др. (Коллаборация Baikal-GVD) // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 8. С. 1016; Avrorin A.D., Avrorin A.V., Aynutdinov V.M. et al. (Baikal-GVD Collaboration) // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 8. P. 921.
  3. Abbasi R., Ackermann M., Adams J. et al. (IceCube Collaboration) // Astrophys. J. 2022. V. 928. No. 1. Art. No. 50.
  4. Albert A., Alves S., Andre M. et al. (ANTARES Collaboration) // Phys. Lett. B. 2021. V. 816. Art. No. 136228.
  5. Ageron M., Aiello S., Ameli F. et al. (KM3NeT Collaboration) // Eur. Phys. J. C. 2020. V. 80. No. 2. Art. No. 99.
  6. Кайдалов А.Б., Пискунова О.И. // Ядерн. физика. 1986. Т. 43. С. 1545.
  7. Кайдалов А.Б. // Ядерн. физика. 2023. Т. 66. № 11. С. 2044; Kaidalov A.B. // Phys. Atom. Nucl. 2003. V. 66. No. 11. P. 1994.
  8. Sinegovsky S.I., Sorokovikov M. N. // Eur. Phys. J. C. 2020. V. 80. Art. No. 34.
  9. Kochanov A.A., Sinegovskaya T.S., Sinegovsky S.I. // Astropart. Phys. 2008. V. 30. P. 219.
  10. Sinegovskaya T.S., Morozova A.D., Sinegovsky S.I. // Phys. Rev. D. 2015. V. 91. Art. No. 063011.
  11. Sinegovsky S.I., Kochanov A.A., Sinegovskaya T.S. et al. // Int. J. Mod. Phys. A. 2010. V. 25. P. 3733.
  12. Кочанов А.А., Синеговская Т.С., Синеговский С.И. // ЖЭТФ. 2013. Т. 143. С. 459; Kochanov A.A., Sinegovskaya T.S., Sinegovsky S.I. // JETP. 2013. V. 116. P. 395.
  13. Морозова А.Д., Кочанов А.А., Синеговская Т.С. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 4. С. 555; Morozova A.D, Kochanov A.A., Sinegovskaya T.S. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2017. V. 81. No. 4. P. 516.
  14. Кочанов А.А., Морозова А.Д., Синеговская Т.С. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 8. С. 1030; Kochanov A.A., Morozova A.D., Sinegovskaya T.S. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 8. P. 933.
  15. Kochanov A.A., Morozova A.D., Sinegovskaya T.S. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1181. Art. No. 012054.
  16. Кочанов А.А., Морозова А.Д., Синеговская Т.С. и др. // Изв. РАН. Cер. физ. 2021. Т. 85. № 4. С. 570; Kochanov A.A., Morozova A.D., Sinegovskaya T.S. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021. V. 85. No. 4. P. 433.
  17. Kochanov A.A., Morozova A.D., Sinegovskaya T.S. et al. // arXiv: 2109.13000. 2021.
  18. Калмыков Н.Н., Остапченко С.С., Павлов А.И. // Изв. РАН. Сер. физ. 1994. Т. 58. № 12. С. 21; Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S., Pavlov A.I. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 1994. V. 8. P. 1966.
  19. Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S., Pavlov A.I. // Nucl. Phys. B. (Proc. Suppl.) 1997. V. 52. P. 17.
  20. Ostapchenko S. // Nucl. Phys. B. (Proc. Suppl.). 2008. V. 175—176. P. 73.
  21. Кимель Л.Р., Мохов Н.В. // Изв. вузов. Физ. 1974. Т. 17. № 10. С. 17.
  22. Калиновский А.Н., Мохов Н.В., Никитин Ю.П. Прохождение частиц высоких энергий через вещество. М.: Энергоатомиздат, 1985. 248 с.
  23. Gaisser T.K. // Astropart. Phys. 2012. V. 35. P. 801.
  24. Aartsen M.G., Ackermann M., Adams J. et al. (IceCube Collaboration) // Eur. Phys. J. C. 2015. V. 75. Art. No. 116.
  25. Aartsen M.G., Ackermann M., Adams J. et al. (IceCube Collaboration) // Eur. Phys. J. C. 2017. V. 77. Art. No. 692.
  26. Аракелян Г.Г. // Ядерн. физика. 1998. Т. 61. С. 1682; Arakelyan G. H. // Phys. Atom. Nucl. 1998. V. 61. No. 9. P. 1570.
  27. Fedynitch A., Riehn F., Engel R. et al. // Phys. Rev. D. 2019. V. 100. Art. No. 103018.
  28. Bhattacharya A., Enberg R., Jeong Y.S. et al. // JHEP. 2016. V. 2016. No. 11. Art. No. 167.
  29. Gauld R., Rojo J., Rottoli L. et al. // JHEP. 2016. V. 2016. No. 2. Art. No. 130.
  30. Zenaiev O., Garzelli M.V., Lipka K. et al. (PROSA Collaboration) // JHEP. 2020. V. 2020. No. 4. Art. No. 118.
  31. Garzelli M.V., Moch S., Zenaiev O. et al. (PROSA Collaboration) // JHEP. 2017. V. 2017. No. 5. Art. No. 4.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Дифференциальные спектры атмосферных лептонов вблизи вертикали: широкая полоса (а) — спектр мюонных (D, Λс)-нейтрино в модели QGSM + H3a; линии вдоль полосы — результаты расчетов co спектром H3a других моделей рождения очарованных частиц; две кривые, пересекающие широкую полосу, — спектры (π, Κ)-нейтрино для моделей КМ и QGSJET II-03; узкие полосы — (D, Λс)-нейтрино (б) и мюоны (в), пересекающие линии (π, Κ)-лептонов. Спектры (π, Κ)-лептонов рассчитаны для двух моделей адрон-ядерных взаимодействий — КМ + H3a (сплошная линия) и QGSJET II-03 + H3a (штриховая линия)

Скачать (332KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Спектральное зенитно-угловое усиление дифференциальных потоков атмосферных нейтрино (а) и мюонов (б), рассчитанное для зенитного угла θ ≈ 84.26°: 1 — (π, K)-лептоны (КМ); 2 — суммарный спектр КМ + QGSM; 3 — (D, Λс)-лептоны (QGSM); панели внизу (а, б) — (π, K)-лептоны с лучшим разрешением, на которых видна немонотонность анизотропии, отражающая последовательное “включение” и насыщение доминирующих источников — от вкладов двухчастичных распадов заряженных пионов и каонов, к трехчастичным полулептонным распадам заряженных и нейтральных каонов. Это приводит к широкому распределению с “горбами”; 2-й горб (мюоны) как раз отвечает редкому Гi/Г ≃ 4 × 10–4) полулептонному распаду короткоживущего нейтрального каона KS (время жизни 0.9 × 10–10 с). Влияние модели адронного каскада на спектральное зенитно-угловое усиление потоков атмосферных нейтрино (в) и мюонов (г): 1 — (π, K)-лептоны для модели КМ; 2 — (π, K)-лептоны для модели QGSJET II-03; 3 — суммарный спектр КМ + QGSM; 4 — то же, что и 3, но для модели QGSJET II-03 + QGSM

Скачать (426KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».